徐朝晨,吉 鵬,王朝生,王華平,2
(1.東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620;2.東華大學(xué) 紡織產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 201620)
低熔點(diǎn)纖維是一種相比于常規(guī)纖維具有更低熔點(diǎn)的纖維,可以在更低溫度下熔融,并具有較強(qiáng)的黏結(jié)性能,相比于其他種類(lèi)的膠黏劑,其具有黏結(jié)快、性能穩(wěn)定、力學(xué)性能好、彈性好、無(wú)毒、無(wú)污染、能耗低等優(yōu)良性能[1-2]。以低熔點(diǎn)纖維作為原料,經(jīng)混合梳理垂直鋪網(wǎng)后采用熱風(fēng)熔黏加工可形成多空隙立體結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)出類(lèi)似海綿的回彈及抗壓性,商品名稱(chēng)為直立棉,具有良好的透氣透水性,同時(shí)蓬松度、抗老化、產(chǎn)品安全環(huán)保性能及生產(chǎn)清潔等性能也全面提升,在家紡、汽車(chē)內(nèi)飾、內(nèi)衣、體育用品及醫(yī)用衛(wèi)生等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,可取代聚氨酯發(fā)泡材料。
低熔點(diǎn)纖維依據(jù)組分?jǐn)?shù)可分為單組分、雙組分和多組分,多組分低熔點(diǎn)纖維由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜,目前研究較少。單組分低熔點(diǎn)纖維包括聚烯烴、共聚酰胺、共聚酯等,雖然單組分低熔點(diǎn)纖維制備容易,黏結(jié)強(qiáng)度高,性能穩(wěn)定,但是在熱熔黏結(jié)時(shí)存在易樹(shù)脂化的問(wèn)題,失去纖維的形態(tài),對(duì)性能和手感有較大的影響,在應(yīng)用上有一定的局限性。雙組分低熔點(diǎn)纖維,采用低熔點(diǎn)組分和常規(guī)組分結(jié)合的形式,如皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu),皮層為低熔點(diǎn)組分,起到黏結(jié)的作用,芯層熔點(diǎn)高,力學(xué)性能好,保持纖維形態(tài)。雙組分的結(jié)合提高了纖維的強(qiáng)度等性能,解決了低熔點(diǎn)纖維在熱熔黏結(jié)時(shí)易發(fā)生樹(shù)脂化的問(wèn)題,但是制備工藝復(fù)雜,價(jià)格昂貴,主要類(lèi)型有聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)、低熔點(diǎn)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(LMPET)/聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、PE/PET等。
界面的作用力使兩塊材料黏附在一起,這些作用力包括分子間官能團(tuán)的相互作用、界面處分子的擴(kuò)散交纏、極性與非極性分子間的相互作用、粗糙界面形成的機(jī)械黏結(jié)等。基于這些力的作用形式,研究者提出了多種熱熔黏結(jié)理論模型[3]。
吸附理論:分為物理吸附和化學(xué)吸附,物理吸附指氫鍵、范德華力的相互作用?;瘜W(xué)吸附指化學(xué)共價(jià)鍵的作用。擴(kuò)散理論:當(dāng)聚合物相互黏合時(shí),分子在表層中相互擴(kuò)散,形成兩物質(zhì)在界面處擴(kuò)散型交纏網(wǎng)絡(luò)。機(jī)械理論:低熔點(diǎn)纖維熔融后,滲入黏結(jié)物表面縫隙中,冷卻固化后如釘子一般,產(chǎn)生黏結(jié)的效果。
對(duì)于低熔點(diǎn)纖維來(lái)說(shuō),產(chǎn)生卷曲效果有2個(gè)最基本的條件:(1)必須是雙組分纖維,且結(jié)構(gòu)不為中心對(duì)稱(chēng);(2)雙組分間熱收縮率不同。
卷曲原理即為雙組分間熱收縮率不同,當(dāng)受熱后,雙組分受力不均,從而產(chǎn)生卷曲的效果。
最早的低熔點(diǎn)纖維可追溯到20世紀(jì)70年代末,日本智索公司開(kāi)發(fā)了一款低熔點(diǎn)PP/PE復(fù)合纖維產(chǎn)品,商品名為ES[4]。目前市場(chǎng)上的ES纖維主要分為PE/PP和PE/PET兩種,產(chǎn)品規(guī)格主要以1.65~6.60 dtex。ES纖維經(jīng)過(guò)熱處理后,纖維間會(huì)發(fā)生黏結(jié),形成不用黏合劑的無(wú)紡布成形體,但低熔點(diǎn)聚烯烴纖維耐干洗性差,應(yīng)用領(lǐng)域上存在一定的局限性。低熔點(diǎn)聚酯復(fù)合纖維的出現(xiàn),滿(mǎn)足了人們對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠低熔點(diǎn)纖維的需求,韓國(guó)匯維仕采用同心型皮芯結(jié)構(gòu),以滌綸作為芯層,低熔點(diǎn)聚酯作為皮層,主要成分為PET,開(kāi)發(fā)了一款低熔點(diǎn)聚酯復(fù)合纖維,商品名為“4080纖維”,后韓國(guó)世韓、韓國(guó)泰光、美國(guó)南亞等公司相繼開(kāi)發(fā)出各種類(lèi)“4080”纖維產(chǎn)品。
日本帝人公司開(kāi)發(fā)出聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)基高收縮偏心復(fù)合低熔點(diǎn)纖維,采用雙組分并列偏心復(fù)合結(jié)構(gòu),皮層為滌綸彈性體,芯層為滌綸,商品名為elk,其結(jié)構(gòu)與性能分別見(jiàn)圖1和表1。
圖1 elk纖維的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of elk fiber
表1 elk纖維與聚氨酯海綿性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of elk fiber and polyurethane sponge
1)按JIS K 6400-1—2004測(cè)試。
2)按JIS K 6400-2—2004(25%壓縮時(shí))測(cè)試。
3)75%壓縮時(shí)的工作量回復(fù)率。
4)65%應(yīng)力/25%應(yīng)力。
從圖1和表1可看出,elk纖維的纏繞式彈簧構(gòu)造,聚酯纖維呈立體交錯(cuò),纖維的交錯(cuò)點(diǎn)以類(lèi)似變形蟲(chóng)狀態(tài)固定,產(chǎn)生出柔軟的彈性和優(yōu)異的耐久性;與聚氨酯海綿相比,其回彈性更好。
相比于國(guó)外,我國(guó)起步較晚,工藝不成熟,直到20世紀(jì)80年代,我國(guó)第一次制備出低熔點(diǎn)纖維—乙綸短纖維。進(jìn)入21世紀(jì)后,低熔點(diǎn)纖維更加被重視,國(guó)內(nèi)低熔點(diǎn)纖維產(chǎn)業(yè)進(jìn)入飛速發(fā)展期。2002年,低熔點(diǎn)纖維被列入我國(guó)化纖行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展目錄。2005—2006年,遠(yuǎn)紡工業(yè)(上海)有限公司、廈門(mén)翔鷺化纖股份有限公司、四川匯維仕化纖有限公司3家公司紡制4080纖維等產(chǎn)品,在國(guó)內(nèi)低熔點(diǎn)纖維市場(chǎng)異軍突起[4-5]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的公司對(duì)低熔點(diǎn)纖維做了很多的研究,立足于開(kāi)發(fā)多種功能性低熔點(diǎn)纖維。
表2 遠(yuǎn)紡工業(yè)(上海)有限公司4080纖維產(chǎn)品Tab.2 Products of 4080 fiber made by Shanghai Yuanfang Industry Co., Ltd.
表3 廈門(mén)翔鷺化纖股份有限公司低熔點(diǎn)纖維產(chǎn)品Tab.3 Products of low-melting point fiber made by Xiamen Xianglu Chemical Fiber Co., Ltd.
廈門(mén)象嶼興泓特種材料有限公司[6]通過(guò)在聚酯過(guò)程中添加改性劑制得熔點(diǎn)為90~120 °C的改性PET共聚酯,以PET共聚酯作為皮層,常規(guī)PET作為芯層,經(jīng)復(fù)合紡絲可得加工溫度低、黏結(jié)性能好的低熔點(diǎn)聚酯纖維,可用于生產(chǎn)導(dǎo)流層用熱風(fēng)無(wú)紡布。中國(guó)石油化工股份有限公司[7-8]制備熔點(diǎn)為140~190 °C的低端羧基PBT或PET改性共聚酯切片,將感光變色材料或感溫變色材料與制備的共聚酯共混,分別制得感光變色聚酯母粒和感溫變色聚酯母粒。以感光變色聚酯母粒作為芯層,共聚酯作為皮層,制備出的感光變色聚酯纖維可應(yīng)用在服飾、家紡、醫(yī)療等領(lǐng)域;若以感溫變色聚酯母粒作為中間層,共聚酯作為外層,可制備三層具有感溫變色的低熔點(diǎn)聚酯薄膜,具有模量低、手感好、熱黏合性好等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于汽車(chē)、建筑、熱封包裝膜等領(lǐng)域。
低熔點(diǎn)纖維的制備以熔融復(fù)合紡絲為主,其工藝流程為雙組分分別從料倉(cāng)A和料倉(cāng)B進(jìn)入螺桿擠出機(jī)中熔融擠出,在紡絲組件內(nèi)匯合后從噴絲板擠出,經(jīng)拉伸、上油、卷繞等工藝后制得[9]。依據(jù)紡絲組件的設(shè)計(jì)類(lèi)型,分為并列型和皮芯型兩種。
對(duì)于熔融紡絲工藝,切片含水量對(duì)紡絲過(guò)程影響很大,以聚酯纖維為例,當(dāng)含水量過(guò)高時(shí),水分子將加速酯鍵的水解,導(dǎo)致分子聚合度下降,影響紡絲性能。在紡絲過(guò)程中,水分受熱氣化后,易使絲線斷裂。因此,在紡絲過(guò)程中,切片含水量的控制尤其重要,含水率一般低于50 μg/g,但低熔點(diǎn)切片結(jié)晶性差,在干燥時(shí)易黏結(jié),影響后加工。目前,低熔點(diǎn)切片常采用梯度升溫、逐步干燥的方式,干燥溫度低于100 °C,可以有效防止黏結(jié)[10]。
復(fù)合熔融紡絲相比于單組分熔融紡絲,最大區(qū)別在于雙組分出噴絲孔的復(fù)合過(guò)程,對(duì)紡絲成敗有著關(guān)鍵的影響。確保雙組分從噴絲孔擠出時(shí)的熔體黏度相近,可使紡絲過(guò)程順利進(jìn)行,它是制備理想雙組分低熔點(diǎn)纖維的必要條件。雙組分從噴絲孔擠出時(shí)熔體黏度相差較大,在復(fù)合時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的滑移問(wèn)題,難以形成完整的復(fù)合界面,此時(shí)纖維的性能難以保證,產(chǎn)品品質(zhì)受到很大影響。
雙組分熔體黏度的控制對(duì)紡絲成敗非常重要。通過(guò)流變性能測(cè)試分析低熔點(diǎn)組分和常規(guī)組分表觀黏度與剪切速率的關(guān)系,分析得到兩種切片結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)、黏流活化能與溫度的關(guān)系,結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)越大,對(duì)應(yīng)的可紡性及紡絲穩(wěn)定程度越差,因此紡絲溫度的選擇要盡量確保兩種切片的結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)相近且值盡量??;黏流活化能可反映熔體黏溫依賴(lài)性,低熔點(diǎn)組分的黏流活化能一般受剪切速率的影響較于常規(guī)組分更加的敏感。王少博等[11]對(duì)常規(guī)PET切片和低熔點(diǎn)PET切片(LPET)的流變性能進(jìn)行分析,剪切速率為500~10 000 s-1,確定結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)與溫度的變化關(guān)系,并結(jié)合Miller提出的異形噴絲板出口剪切計(jì)算公式,確定合適的紡絲工藝。
低熔點(diǎn)組分的黏流溫度低,常在200 °C以下,而紡絲熔體的溫度較高,一般高于250 °C。當(dāng)熔體從噴絲板擠出復(fù)合后,初生纖維若得不到快速冷卻,在重力作用下,易沿著纖維方向流動(dòng),導(dǎo)致纖維復(fù)合比例變化,纖維的拉伸性能、黏結(jié)性能受到嚴(yán)重破壞。針對(duì)低熔點(diǎn)組分黏結(jié)溫度低,冷卻程度對(duì)皮芯復(fù)合比例及纖維性能影響大的問(wèn)題,可采取以下辦法:(1)設(shè)計(jì)加長(zhǎng)整流筒,采用“W”型開(kāi)孔布局,即錯(cuò)孔吹風(fēng),增大吹風(fēng)面積,提升冷卻效果;(2)增加紡絲甬道對(duì)流提升冷卻效果;(3)采用低溫多道上油,提升熱傳導(dǎo)降溫效果。由于皮層聚合物的熔點(diǎn)低,擠出后因溫度較高,黏性較大,在后加工過(guò)程中,應(yīng)避免初生纖維發(fā)生粘連。通常在拉伸過(guò)程中增設(shè)水冷處理措施、增加冷卻槽長(zhǎng)度,減壓低溫烘燥等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
低熔點(diǎn)纖維作為一款“綠色膠黏劑”,黏結(jié)性能強(qiáng),合理利用低熔點(diǎn)纖維極佳的熱熔黏結(jié)性能,將其他纖維與低熔點(diǎn)纖維交織,可以很好地改善產(chǎn)品的各項(xiàng)性能,在服用紡織品、產(chǎn)業(yè)用紡織品和非織造布等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
雪尼爾紗是一種新型花式紗線,采用兩根股線作為芯線,通過(guò)加捻將羽紗夾在中間紡制而成,具有高檔華貴、柔軟舒適、不易起球、環(huán)保質(zhì)地、絨面豐滿(mǎn)等優(yōu)點(diǎn)。將低熔點(diǎn)纖維添加到其制備過(guò)程中,將各股紗線黏合在一起,可以有效防止松散纖維脫落。采用絲絨混紡紗制作的裙子,深受消費(fèi)者的喜愛(ài)。但絲絨混紡紗起毛起球問(wèn)題嚴(yán)重,纖維保形性差,極大影響了絲絨的使用,添加低熔點(diǎn)纖維混紡后,增加纖維間的摩擦力,從而改善起球的問(wèn)題[12]。
高強(qiáng)邦迪線由多股滌綸或尼龍長(zhǎng)絲互相捻合和黏合而成,使得紗線更加均勻,耐磨能力更強(qiáng),達(dá)到增強(qiáng)可縫性的目的,被廣泛用于高品質(zhì)皮具產(chǎn)品的車(chē)縫用線。低熔點(diǎn)纖維在其中起到黏結(jié)的作用,在縫紉期間可以防止線分裂。
勞動(dòng)保護(hù)手套,具有穿戴舒適、隔熱絕緣、抓握物品精確、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。低熔點(diǎn)纖維可以在袖口處有效地封邊,提高勞保手套的實(shí)用性。
相比于其他的黏合劑,低熔點(diǎn)纖維具有安全、能耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)異的性能,在非織造布行業(yè)中,結(jié)合低熔點(diǎn)纖維優(yōu)異的熱熔黏結(jié)性能,能夠保持非織造布的結(jié)構(gòu),拓寬非織造布應(yīng)用領(lǐng)域。偏心型低熔點(diǎn)纖維具有自卷曲的效果,經(jīng)熱處理后,形成空間多點(diǎn)位黏結(jié),具有獨(dú)特的三維立體多空隙結(jié)構(gòu),透氣透水性、回彈性好。
在服用和家紡領(lǐng)域,可用于制造床墊、沙發(fā)里面的填充物,質(zhì)輕,面密度最低可達(dá)到100 g/m2,透氣透水性、保暖性好。在低熔點(diǎn)纖維中摻入抗菌劑,生產(chǎn)的環(huán)保代棕棉,用于床墊,可以抑制細(xì)菌生長(zhǎng),防菌防螨;用于坐墊,軟硬適中,不易變形。內(nèi)衣杯墊支撐著女性胸部,貼身織物需要透氣性高才能有舒適的觸感,直立棉獨(dú)特的立體構(gòu)造,能夠讓濕氣從纖維縫隙中排除,能夠防止不舒服的悶熱感。在衛(wèi)生用品領(lǐng)域,可應(yīng)用于紙尿褲、口罩、防護(hù)服等,實(shí)現(xiàn)質(zhì)輕、透氣等功能。將低熔點(diǎn)纖維應(yīng)用于口罩的生產(chǎn)中,使口罩外層無(wú)紡布和中層熔噴布黏合緊密,給予口罩飽滿(mǎn)和舒適性,增加防潮防濕的效果。在工業(yè)領(lǐng)域,可用于吸音、隔音、過(guò)濾、絕緣等材料的制造,如汽車(chē)行業(yè),發(fā)動(dòng)機(jī)艙、行李艙等位置的隔聲、吸聲材料,能夠控制噪聲的傳播,保護(hù)人們的身心健康[13];采用低熔點(diǎn)纖維制備的吸音棉,面密度低于40 g/m2,可應(yīng)用于音響,將喇叭輻射的音波屏蔽掉,不讓聲波進(jìn)行無(wú)休止的反射和折射,提高音質(zhì)。低熔點(diǎn)纖維也可用于建筑用材,包括片材、包裝材料、家具用材等,如地板、吊頂、墻面、屋頂?shù)?,可?shí)現(xiàn)透氣防水、阻燃、緩震的效果[14]。
低熔點(diǎn)纖維原料主要為低熔點(diǎn)組分與常規(guī)組分,而低熔點(diǎn)組分主要通過(guò)共聚或共混的方式制備,成本仍較高。自從聚酯工業(yè)化以來(lái),聚酯材料得到了廣泛的應(yīng)用,但隨著時(shí)間的推移,廢棄聚酯如何處理成為了一大難題。若能有效利用廢棄聚酯,不僅能夠降低原料生產(chǎn)成本,還可開(kāi)拓綠色產(chǎn)業(yè)鏈,推動(dòng)低熔點(diǎn)纖維綠色制造[15]。
低熔點(diǎn)切片軟化點(diǎn)較低,干燥時(shí),切片受熱后易粘連,對(duì)干燥工藝影響極大。低熔點(diǎn)聚酯熔體直紡技術(shù)簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝,減少切片干燥、再熔融等工序,降低能耗物耗的同時(shí)提升纖維的品質(zhì),目前正在試生產(chǎn)與推廣中。
浙江恒瀾科技有限公司[16]提出一種共聚改性低熔點(diǎn)尼龍纖維的熔融直紡方法,通過(guò)加入共聚改性組分,破壞尼龍分子鏈的規(guī)整性,降低尼龍分子鏈間的氫鍵密度以及結(jié)晶度,達(dá)到降低尼龍熔點(diǎn)目的,可以將尼龍熔點(diǎn)在90~200 °C之間調(diào)控,并有效控制尼龍熔體中低聚物的含量,大大擴(kuò)寬低熔點(diǎn)尼龍產(chǎn)品品質(zhì)和應(yīng)用范圍。
中國(guó)紡織科學(xué)研究院[17]開(kāi)發(fā)一種連續(xù)聚合熔體直紡低熔點(diǎn)聚酯復(fù)合纖維的制備方法,將聚酯低聚物與聚醚混合均勻后共聚制備低熔點(diǎn)聚酯熔體,熔點(diǎn)60~230 °C,后與常規(guī)聚酯熔體復(fù)合紡絲制備得到低熔點(diǎn)聚酯復(fù)合纖維。添加聚醚組分不僅可以降低反應(yīng)中的熱降解副反應(yīng)的發(fā)生,提高低熔點(diǎn)聚酯熔體的可紡性,并可以改善雙組分復(fù)合過(guò)程中熔體復(fù)配的問(wèn)題,纖維成形性良好。
低熔點(diǎn)纖維黏結(jié)性能好,依據(jù)其優(yōu)異的熱熔黏結(jié)性能,開(kāi)發(fā)出更多功能性的低熔點(diǎn)纖維產(chǎn)品,提高產(chǎn)品附加值,更能夠推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。近年來(lái),國(guó)內(nèi)推出了多種功能性低熔點(diǎn)纖維產(chǎn)品,如優(yōu)彩環(huán)保資源科技股份有限公司[18]選用再生聚酯材料,結(jié)合復(fù)合紡絲工藝,經(jīng)上色后,推出多款免染產(chǎn)品,降低生產(chǎn)能耗,擴(kuò)寬應(yīng)用領(lǐng)域,符合綠色制造的主題。
低熔點(diǎn)復(fù)合纖維由于多種組分的存在,在降解上具有一定的難度。開(kāi)發(fā)可降解低熔點(diǎn)纖維產(chǎn)品,如低熔點(diǎn)脂肪族-芳香族共聚酯聚(己二酸丁二醇-對(duì)苯二甲酸丁二醇)酯(PBAT)和聚(丁二酸丁二醇-對(duì)苯二甲酸丁二醇)酯(PBST)[19-20],綜合了脂肪族聚酯優(yōu)異的降解性能和芳香族聚酯良好的力學(xué)性能,且熔點(diǎn)可控,然而熔體經(jīng)噴絲板擠出后,初生絲束黏性較大,可紡性較差,目前常用來(lái)與聚丙交酯(PLA)進(jìn)行共混紡絲,但黏結(jié)強(qiáng)度和彈性回復(fù)率仍有待改善。
(1)低熔點(diǎn)纖維憑借其優(yōu)異的黏結(jié)性能和安全無(wú)毒無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的市場(chǎng)前景。目前市場(chǎng)上低熔點(diǎn)纖維產(chǎn)品主要為ES纖維、4080纖維和elk纖維等,但國(guó)內(nèi)外在同類(lèi)產(chǎn)品仍存在一定差距,且國(guó)內(nèi)在高端低熔點(diǎn)纖維上存在較大缺口。
(2)雙組分低熔點(diǎn)纖維主要通過(guò)復(fù)合紡絲工藝制備,工藝日趨成熟,但低熔點(diǎn)在干燥工程中易發(fā)生粘連,實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)纖維熔體直紡,可以增加產(chǎn)能,更可以節(jié)能減排,促進(jìn)低熔點(diǎn)纖維行業(yè)飛速發(fā)展。低熔點(diǎn)纖維在服用紡織品、產(chǎn)業(yè)用紡織品、非織造布等行業(yè)應(yīng)用廣泛,如衛(wèi)生用品、服用、家紡、建筑材料、濾材、熱熔膠等領(lǐng)域。
(3)未來(lái)國(guó)內(nèi)低熔點(diǎn)纖維產(chǎn)業(yè)主要以縮小與國(guó)外的差距為主,開(kāi)發(fā)新型功能性低熔點(diǎn)纖維,提高產(chǎn)品附加值,增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。更要以綠色制造為宗旨,開(kāi)發(fā)生物可降解低熔點(diǎn)纖維,走可持續(xù)發(fā)展的道路。